home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Synthese van kubische Ni(OH)2-nanokooien door middel van coördinatie van ets- en neerslagroute voor krachtige supercondensatoren

Abstract

Rationeel ontwerp van een kooiachtige structuur is een effectieve methode voor de verbetering van de capacitieve prestaties van overgangsmetaalhydroxiden. In dit werk werden kubieke Ni (OH) 2-nanokooien (Ni (OH) 2 NC's) geconstrueerd via een coördinerende ets- en precipitatieroute (CEP). Ni (OH) 2 NC's hebben overvloedige actieve sites, voldoende diffusiekanalen en een versnelde elektronenoverdrachtssnelheid, die gunstig zijn voor de elektrochemische kinetiek. Als positieve elektrode voor supercondensatoren heeft de Ni(OH)2 NCs/Ni-schuim (NF) elektrode een hoge specifieke capaciteit van 539,8 F g −1 op 1 A g −1 , die veel groter is dan die van gebroken Ni(OH)2 NCs/NF (Ni(OH)2 BNCs/NF, 87.3 F g −1 op 1 A g −1 ). Bovendien behoudt de Ni(OH)2 NCs/NF-elektrode na 2000 cycli nog steeds 96,9% van zijn initiële specifieke capaciteit. De asymmetrische supercapacitor (ASC) -apparaten werden geassembleerd met respectievelijk Ni (OH) 2 NC's / NF en actieve kool (AC) / NF als positieve en negatieve elektroden. De ASC vertoont een hogere energiedichtheid van 23,3 Wh kg −1 bij een vermogensdichtheid van 800 W kg −1 vergeleken met Ni(OH)2 BNCs/NF (3 Wh kg −1 bij 880 W kg −1 ). Deze resultaten tonen aan dat de Ni(OH)2 NCs/NF-elektrode potentiële toepassingen biedt op het gebied van energieopslag. Het ontwerp van een kooiachtige structuur maakt een effectieve manier mogelijk om hoogwaardige elektrodematerialen te verkrijgen.

Achtergrond

Om de uitdagingen van milieuvervuiling en energiecrisis het hoofd te bieden, zijn er grote eisen om veilige, hernieuwbare, schone en krachtige energieopslagapparaten te ontwikkelen als alternatief voor fossiele brandstoffen [1, 2]. Supercondensatoren hebben uitstekende eigenschappen om aan deze problemen te voldoen, zoals een hoog vermogen (10-20 keer dat van batterijen), hoge prestaties, korte oplaadtijd en milieuvriendelijke aard [3, 4]. Elektrische dubbellaagse condensatoren (EDLC's) en pseudocondensatoren (pc's) zijn de meest onderzochte twee soorten supercondensatoren. Daarbij hebben pc's die worden bestuurd door redox op/nabij het oppervlak van overgangsmetaaloxide/hydroxide-elektroden altijd een hogere energiedichtheid dan EDLC's en zijn ze de hot issues op dit gebied geworden [5,6,7,8,9,10]. Als een typisch overgangsmetaalhydroxide, Ni(OH)2 werd gerapporteerd als een hoogwaardig elektrodemateriaal voor pc's vanwege het redox-paar Ni 3+ /Ni 2+ in een alkalisch medium [11, 12]. Niettemin, de verworven specifieke capaciteit van Ni(OH)2 is altijd veel lager dan de theoretische waarde vanwege het onvoldoende gebruik van elektrodematerialen.

Geïnspireerd door kinetiek, kunnen de capacitieve prestaties van elektrodematerialen worden gemedieerd door het ontwerp van microstructuur en morfologie. Er zijn enorme inspanningen geleverd voor de synthese van Ni(OH)2 elektrodematerialen met unieke microstructuren om zeer efficiënte opslagprestaties te bereiken [13, 14]. Daarin werd het construeren van een kooiachtige holle poreuze structuur beschouwd als een effectieve methode om hoogwaardige elektroden te verkrijgen. In het bijzonder kan een kooiachtige structuur volledig gebruik maken van het binnen- en buitenoppervlak en voldoende redox-actieve plaatsen bieden, wat leidt tot een verbeterde specifieke capaciteit. Bovendien biedt de poreuze schaal veel diffusiepaden voor elektrolyt, wat gunstig is voor de omkeerbaarheid van de elektrode, wat resulteert in uitstekende cyclusstabiliteit en hoge prestaties. Wat betreft de kinetiek van elektronenoverdracht, verfijnt de dunne schil van nanoformaat de overdrachtsroute van elektronen en versnelt de elektronenoverdrachtsnelheid [15, 16]. Dus hogere capacitieve prestaties van Ni(OH)2 kan worden verkregen door het ontwerp van een kooiachtige holle poreuze architectuur.

Het chemische sjabloonproces is de meest gebruikte methode om kooiachtige architecturen te maken [17, 18]. De eindproducten kunnen de geometrische vorm van de sjablonen nauwkeurig dupliceren en een goed gedefinieerde morfologie behouden met een smalle grootteverdeling [19, 20]. In dit werk, Ni(OH)2 NC's werden gefabriceerd met behulp van kubieke Cu2 O-kristallen als opofferingssjablonen door thiosulfaat hadden betrekking op het coördinerende ets- en precipitatieprincipe (CEP). De gesynthetiseerde Ni(OH)2 NCs/NF werd gebruikt als positieve elektrode voor supercondensatoren en Ni(OH)2 BNCs/NF werd geïntroduceerd als een contrastmonster om de structurele voordelen van kooiachtige architectuur te bevestigen. Ni(OH)2 NCs/NF geeft een hoge specifieke capaciteit van 539,8 F g −1 weer op 1 A g −1 , die veel groter is dan die van Ni(OH)2 BNC's/NF (87.3 F g −1 op 1 A g −1 ). Het apparaat met asymmetrische supercapacitor (ASC) heeft een hoge energiedichtheid van 23,3 Wh kg −1 bij 800 W kg −1 , en deze waarde is veel groter dan die van Ni(OH)2 BNC's/NF//AC (3 Wh kg −1 bij 880 W kg −1 ). De resultaten laten zien dat Ni(OH)2 NC's / NF-elektrode vertoont een aantrekkelijk vooruitzicht in supercondensatoren. De manier om kooiachtige holle poreuze architectuur te ontwerpen is ook zinvol op andere gebieden, zoals sensoren en katalysatoren.

Methoden/experimenteel

Voorbereiding van Cu2 O Sjablonen

Kubieke Cu2 O-kristallen werden gesynthetiseerd volgens ons vorige rapport [21]. Vijftig milliliter NaOH-oplossing (2 M) werd toegevoegd aan het geroerde CuCl2 ·2H2 O (500 ml, 0,01 M) binnen 3 min bij 55 °C. Na 30 min roeren werd druppelsgewijs 50 ml 0,6 M ascorbinezuuroplossing toegevoegd. De uiteindelijke monsters werden na 3  uur gecentrifugeerd en onder vacuüm gedroogd.

Synthese van Ni(OH)2 NC's

400  mg Cu2 O-sjablonen en verschillende doseringen van NiCl2 vermogens werden in een beker van 1000 ml gegoten die 400 l gemengd water en alcohol bevat (volumeverhouding =-1:1). De massaverhouding van Cu2 O-sjablonen en NiCl2 vermogens wordt geregeld als 5:1, 2.5:1, 1.67:1 en 1.25:1 (overeenkomend met NiCl2 dosering is respectievelijk 80 mg, 160 mg, 240 mg en 320 mg). Na ultrasone behandeling gedurende 10 min werd 13,2  mg polyvinylpyrrolidon (PVP) onder roeren in de oplossing gedispergeerd. Na 30 min, 160 mL 1 M Na2 S2 O3 werd bij kamertemperatuur druppelsgewijs aan de oplossing toegevoegd. Na 3 uur werden de eindproducten verzameld door centrifugatie en gedroogd in een oven. Ni(OH)2 BNC's werden verkregen door de ultrasone behandeling van Ni(OH)2 NC's voor 2 h in alcohol (Aanvullend bestand 1:Figuur S1).

Materialen Karakteriseringen

De structuur en chemische samenstelling van de producten werden geanalyseerd met röntgenpoederdiffractie (XRD, Rigaku D/Max-2400) met behulp van Cu Ka-straling en ESCALAB 250Xi röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS, VS). De morfologie van de producten werd onderzocht op een Zeiss Gemini 300 veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM). Transmissie-elektronenmicroscoop (TEM)-waarnemingen werden uitgevoerd op een FEI F20-apparaat. Het specifieke oppervlak en de poreuze eigenschap werden gemeten op een Belsort-max-instrument.

Elektrochemische metingen

Alle elektrochemische metingen werden uitgevoerd op een μIII Autolab-werkstation in 3 M KOH met respectievelijk Pt-folie (1 cm × 1 cm) en Ag/AgCl (verzadigde KCl) als tegen- en referentie-elektroden. De werkelektroden werden geconstrueerd door de volgende procedures:ten eerste, de elektrodematerialen (Ni(OH)2 NC's verkregen bij verschillende reactietijden en Ni(OH)2 BNC's), acetyleenzwart en polytetrafluorethyleen (5% PTFE) werden samen gemengd met een massaverhouding van 80:15:5 in ethanol. En vervolgens werd het mengsel gecoat op NF (1 cm × 1 cm) en gedroogd in een oven. De laadmassa werd berekend als 3,4 mg/cm 2 . De elektrochemische prestatie werd onderzocht door middel van cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische lading-ontlading (GCD) en elektrochemische impedantie (EIS). De EIS-tests werden uitgevoerd tussen 0,01 en 100 kHz met een verstoringsamplitude van 5 mV. De specifieke capaciteit van de elektroden werd berekend volgens de volgende vergelijking:

$$ C=\frac{I\varDelta t}{m\varDelta V} $$ (1)

waar ik is de ontlaadstroom (A), t is de ontlaadtijd (s), ΔV is het potentiële venster (V), m is de totale massa (g) van elektrodematerialen. De ASC's werden bereid met Ni(OH)2 NC's (of Ni(OH)2 BNC's)) en AC als respectievelijk de positieve en negatieve elektroden. De AC-elektrode werd bereid door een mengsel van AC en PTFE-bindmiddel (90:10) op NF (1 cm × 1 cm) te coaten. Vervolgens werden de twee elektroden aan elkaar geassembleerd met een separator in 3 M KOH.

Resultaten en discussies

Karakteriseringen

XRD-patroon van het bereide Ni(OH)2 NC's werden vastgelegd in figuur 1a. De waargenomen drie sterke pieken op 33,1°, 38,5° en 60,2° komen overeen met (100), (101) en (003) kristallijne vlakken van hexagonale β -Ni(OH)2 (JCPDS nr. 14-0117) [22]. XPS-metingen werden uitgevoerd om de chemische samenstelling te bevestigen. Ni-, O- en C-signalen worden duidelijk waargenomen in het onderzoeksspectrum, waaruit blijkt dat het monster voornamelijk bestaat uit Ni en O. Zoals weergegeven in figuur 1c, bevinden de geconcentreerde signalen zich op 873,7 eV en 856.1 eV met een scheiding van 17,6 eV kan worden toegeschreven aan Ni 2p1/2 en Ni 2p3/2 van Ni 2+ , respectievelijk [23, 24]. De pieken bij 879,9 eV en 861,7 eV zijn de corresponderende satellietsignalen voor Ni 2p1/2 en Ni 2p3/2, respectievelijk. Zoals getoond in Fig. 1d, presenteert de O1s-piek op 531,2 eV een typisch kenmerk van Ni-O-Ni-binding in Ni(OH)2 [25, 26]. Op basis van bovenstaande discussies kunnen de bereide producten worden afgeleid tot Ni(OH)2 fase.

een XRD-patroon van het bereide Ni(OH)2 NC's. b –d XPS-spectra van de Ni(OH)2 NC's. b Enquête. c Ni 2p. d O 1s

SEM- en TEM-waarnemingen werden gebruikt om het morfologische kenmerk van de producten verder te bevestigen. Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2a toont het XRD-patroon van de voorbereide Cu2 O. Alle diffractiepieken kunnen worden geïndexeerd met JCPDS-nr. 78-2076, wat de succesvolle voorbereiding van Cu2 . bevestigt O. SEM-afbeelding van Cu2 O-sjablonen in aanvullend bestand 1:figuur S2b onthult kubieke kenmerken van de producten met een randlengte van ongeveer 500 nm. Zoals opgemerkt in Fig. 2a, de Ni(OH)2 monsters behouden een uniforme, goed gedefinieerde kubieke morfologie na het CEP-proces. De Ni(OH)2 kubussen hebben een randlengte van 500 nm (Fig. 2b), wat min of meer hetzelfde is als Cu2 O-sjablonen. Zoals te zien is aan de inzet van Fig. 2b, is het oppervlak van Ni(OH)2 kubussen is samengesteld uit hoeveelheden fijne deeltjes en heeft een poreuze eigenschap. Het TEM-beeld in Fig. 2c vertoont een schijnbare interne holte, waardoor het kooiachtige kenmerk van Ni(OH)2 wordt onthuld producten. Zoals weergegeven in figuur 2d, is de randlengte 500 nm, wat consistent is met de waarneming van SEM. Bovendien is de schaaldikte van Ni(OH)2 NC's worden geïdentificeerd als 50 nm (Fig. 2d). De onderzoeken van SEM en TEM tonen het kooiachtige kenmerk van de producten aan. De kooiachtige holle poreuze structuur biedt een groot oppervlak en hoeveelheden diffusiepaden, wat het massatransportproces kan bevorderen, wat leidt tot uitstekende capacitieve prestaties.

een , b SEM en c , d TEM-beelden van de Ni(OH)2 NC's

De optische foto's en TEM-beelden van Ni(OH)2 NC's werden op verschillende reactietijden geregistreerd om het vormingsmechanisme te realiseren. Zoals weergegeven in Fig. 3a, vertoont de reactieoplossing een steenrode kleur bij 5 min, wat aangeeft dat er in de beginfase weinig reacties plaatsvinden. Daarna wordt de kleur van de oplossing geleidelijk lichter. Na 3  uur verandert de kleur van de oplossing in lichtgroen, de kleur van de eindproducten. Zoals geïllustreerd in Fig. 3b, vertonen de producten een gedeeltelijk holle interne holte als gevolg van het oplossen van Cu2 O-sjablonen op 5 min. Bovendien is het etsen van interne Cu2 O trad bij voorkeur op in de hoek vanwege de adequate diffusiekinetiek. De interne Cu2 O-kristallen lossen continu op totdat het volledig verdwijnt na 3 h. Het schematische diagram werd geïllustreerd in Schema 1. In het algemeen is het vormingsmechanisme van Ni(OH)2 NC's worden hieronder getoond (Vgl. (2)):

$$ {\mathrm{Ni}}^{2+}+2{\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 $$ (2)

een De optische foto's van het reactiesysteem bij een ander reactietijdstip. b TEM-afbeeldingen van de producten verkregen bij verschillende reactietijden

Schematisch diagram voor het vormingsproces

Ni 2+ ionen in Vgl. (2) zijn de geabsorbeerde Ni 2+ op het oppervlak van Cu2 O-kristallen (stap 1). OH − ionen in Vgl. (2) komen vrij bij de corrosie van Cu2 O-kristallen (Vgl. (3)) en hydrolyse van S2 O3 2- (Vgl. (4)).

$$ {Cu}_2O+{xS}_2{O_3}^{2-}+{H}_2O\to {\left[{Cu}_2{\left({S}_2{O}_3\right)}_x \right]}^{2-2x}+2{OH}^{-} $$ (3) $$ {\mathrm{S}}_2{{\mathrm{O}}_3}^{2-}+ {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{H}\mathrm{S}}_2{{\mathrm{O}}_3}^{2-}+{\mathrm{O} \mathrm{H}}^{-} $$ (4)

Vergelijkingen (3) en (4) zijn het mechanisme voor S2 O3 2− betrokken CEP-proces, dat plaatsvindt in stap 2 en 3. Het gedetailleerde kinetische proces is vergelijkbaar met de vorming van Co(OH)2 NC's in ons gepubliceerde artikel [27]. Het transport van S2 O3 2− richting Cu2 O bepaalt de corrosiesnelheid en de vrijkomende OH − ionen van binnenuit geeft de groeisnelheid van Ni(OH)2 NC's. De coöperatieve controle van de twee processen resulteert in de vorming van goed gedefinieerde Ni(OH)2 NC's.

Fig. 4 toont de N2 adsorptie-desorptie isotherm curves van Ni(OH)2 NC's en Ni(OH)2 BNC's. Het BET-oppervlak van Ni(OH)2 NC's is 54,7 m 2 /g, wat veel groter is dan die van Ni(OH)2 BNC's (38,1 m 2 /G). De resultaten geven aan dat de holle poreuze architectuur Ni(OH)2 NC's met een groter specifiek oppervlak. De poriegrootteverdelingen (inzet van a en b) onthullen de mesoporeuze structuur van Ni(OH)2 NC's en Ni(OH)2 BNC's. Het poriënvolume van Ni(OH)2 NC's worden berekend als 0,25 cm 3 /g, wat groter is dan Ni(OH)2 BNC's (0,19 cm 3 /G). Verder wordt een geconcentreerde porieverdeling tussen 2,7 en 6,1 nm onderzocht voor Ni(OH)2 NC's, die verband houdt met de tussenruimte tussen nanodeeltjes. Er wordt echter geen duidelijke geconcentreerde porieverdeling waargenomen voor Ni(OH)2 BNC's, die de vernietiging van geordende diffusiekanalen onthullen. Het grote oppervlak en de geordende diffusiekanalen zijn gunstig voor de elektrochemische kinetiek, wat resulteert in uitstekende capacitieve prestaties.

BET-metingen van a Ni(OH)2 NC's en (b) Ni(OH)2 BNC's. Inzet van a en b zijn de overeenkomstige poriegrootteverdelingen van Ni(OH)2 NC's en Ni(OH)2 BNC's, respectievelijk

Elektrochemische prestatie van Ni(OH)2 NC's

Om de beste capacitieve eigenschap te verkrijgen, Ni(OH)2 NC's met verschillende schaaldiktes werden bereid door de dosering van NiCl2 . te regelen poeders. Zoals getoond in Fig. 5, neemt de schaaldikte blijkbaar toe van 27,4 tot 76,7 nm met de toename van de massaverhouding van 5:1 tot 1,67:1. De schaaldikte neemt echter slechts licht toe van 76,7 nm tot 79 nm met de verdere toename van de massaverhouding tot 1,25:1. De resultaten kunnen worden toegeschreven aan de kinetische moeilijkheid bij massadiffusie veroorzaakt door het belemmeren van de schaal. De GCD-curven van Ni(OH)2 NC's verkregen met verschillende NiCl2 dosering werden gemeten en de gegevens werden geregistreerd in Fig. 6a. Het is duidelijk dat het monster met Cu2 O/NiCl2 2.5:1 geeft de langste ontladingstijd onder 4 A/g weer, wat de beste capacitieve prestaties aangeeft. Dit resultaat kan worden toegeschreven aan de geschikte massatransportkinetiek afgeleid van de matige schaaldikte. Bovendien zijn de capacitieve prestaties van Ni(OH)2 NC's verkregen met Cu2 O/NiCl2 2.5:1 werd contrastief geëvalueerd met Ni(OH)2 BNC's. Zoals getoond in Fig. 6b, worden significante redoxpieken duidelijk waargenomen in de CV-curven van Ni(OH)2 NC's en Ni(OH)2 BNC's, die pseudocapacitieve kenmerken van de twee elektroden onthullen. Het redoxproces komt overeen met het opslagmechanisme gerelateerd aan Ni(OH)2 /NiOOH redox-paar geïllustreerd in Vgl. (5) [28, 29].

$$ \mathrm{Ni}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2+{\mathrm{OH}}^{-}\leftrightarrow \mathrm{Ni}\mathrm{OOH}+{\mathrm{H }}_2\mathrm{O}+{e}^{-} $$ (5)

een –d TEM-beelden van de Ni(OH)2 NC's verkregen met verschillende massaverhoudingen van Cu2 O/NiCl2 . e –u TEM-afbeeldingen van de bijbehorende schelpen van a –d

een GCD-curven van de producten verkregen met verschillende massaverhoudingen van Cu2 O/NiCl2 op 4 A g −1 . b De CV's van Ni(OH)2 NC's/NF en Ni(OH)2 BNC's/NF met een scansnelheid van 60 mV/s. c De CV's van Ni(OH)2 NC's/NF met verschillende scansnelheden. d GCD-curven van Ni(OH)2 NC's/NF en Ni(OH)2 BNC's/NF op 1 A g −1 . e GCD-curven van Ni(OH)2 NC's/NF bij verschillende stroomdichtheden. v Het schema van de voordelen van ladingsopslag voor Ni(OH)2 NC's. g De fietsstabiliteit van Ni(OH)2 NCs/NF op 8 A g −1 . u De EIS-spectra van Ni(OH)2 NC's/NF en Ni(OH)2 BNC's/NF

Het CV ingekapselde gebied van Ni(OH)2 NC's is veel groter dan die van Ni(OH)2 BNC's, die een hogere specifieke capaciteit aantonen. De CV's van Ni(OH)2 NC's met verschillende scansnelheden zijn weergegeven in figuur 6c. De CV-curve behoudt nog steeds een goed gedefinieerde vorm, zelfs bij een hoge scansnelheid van 100 mV/s, wat een uitstekend snelheidsvermogen en een hoge elektrochemische omkeerbaarheid aantoont. Bovendien neemt de piekstroom lineair toe met de vierkantswortel van scansnelheden, waaruit blijkt dat bulkdiffusie de gedomineerde factor is (aanvullend bestand 1:figuur S3). Zoals weergegeven in Fig. 6d, zijn de GCD-curven van Ni(OH)2 NC's tonen een langere ontlaadtijd dan Ni(OH)2 BNC's op 1 A g −1 , waaruit blijkt dat Ni(OH)2 NC's vertonen een hogere specifieke capaciteit dan Ni(OH)2 BNC's. Fig. 6e toont de GCD-curven van Ni(OH)2 NC's bij verschillende stroomdichtheden. De berekende specifieke capaciteiten voor Ni(OH)2 NC's zijn 539,8, 445,5, 409,4, 391,3, 360,2 en 340,7 F g −1 op 1, 2, 3, 4, 5 en 6 A g −1 , respectievelijk (Extra bestand 1:Figuur S4). Die waarden berekend voor Ni(OH)2 BNC's zijn 87,3, 77,4, 72,9, 67,8, 64,1 en 60,5 F g −1 bij overeenkomstige stroomdichtheid (aanvullend bestand 1:figuur S5). De structurele voordelen voor Ni(OH)2 NC's worden geïllustreerd in Fig. 5f. Ten eerste biedt de kooiachtige functie hoeveelheden actieve sites voor Faraday-reacties. Ten tweede verkort de poreuze dunne schil de migratieafstand van elektronen, wat resulteert in een hoge elektronenoverdrachtsnelheid. Ten derde biedt de poreuze schaal voldoende diffusiekanalen voor elektrolyt, waardoor de benuttingsgraad van Ni(OH)2 wordt verbeterd . De fietsstabiliteit van Ni(OH)2 NC's werden geëvalueerd door de GCD-metingen te herhalen bij 8 A g −1 (Fig. 6 g). Opgemerkt wordt dat de specifieke capaciteit na 2000 cycli nog steeds 96,9% van zijn oorspronkelijke waarde behoudt, wat veel groter is dan die van Ni(OH)2 BNC's (61,5%, aanvullend bestand 1:figuur S6). Zoals te zien is in de inzet, vertonen de laatste 10 cycli weinig verschil met de eerste 10 laad-ontlaadcycli, wat een uitstekende stabiliteit onthult. De kleine demping van de capaciteit kan worden toegeschreven aan de kleine hoeveelheid Ni(OH)2 NC's van NF. De interne leegte en poriën in de schaal bieden voldoende ruimte voor het vrijgeven van een stam tijdens het cyclusproces [30].

Om de voordelen van een kooiachtige structuur in de kinetiek te bevestigen, werden EIS-spectra opgenomen in Fig. 6h en werd het equivalente circuit geïllustreerd in Aanvullend bestand 1:Figuur S7. Het equivalente circuit bestaat voornamelijk uit Rs, Rct, Zw, CPE en CL. Daarin is Rs de interne weerstand van het elektrodesysteem. Rct is de ladingsoverdrachtsweerstand gerelateerd aan de straal van de halve cirkel in EIS-spectra. Zw is de Warburg-impedantie die overeenkomt met de helling van EIS in hoge frequentie. Hoewel Ni(OH)2 NCs/NF-elektrode heeft min of meer dezelfde Rs-waarde (0,27 Ω) vergeleken met Ni(OH)2 BNC's/NF (0.25 Ω), Ni(OH)2 NCs/NF heeft een veel lagere Rct (120,8 Ω) dan die van Ni(OH)2 BNC's (976.5 Ω), die een hogere elektronenoverdrachtssnelheid onthullen. De hoge elektronenoverdrachtsnelheid kan worden toegeschreven aan voldoende dunne schil van Ni(OH)2 NC's. Blijkbaar is Ni(OH)2 NCs/NF-elektrode vertoont een veel grotere helling dan Ni(OH)2 BNC's/NF, die een meer direct diffusieproces aantonen. De ongehinderde diffusie kan worden toegeschreven aan de geordende kanalen en poreuze eigenschap van Ni(OH)2 NC's/NF-elektrode. Op basis van de bovenstaande discussies, Ni(OH)2 NCs/NF-elektrode heeft significante voordelen in elektrochemische kinetiek vergeleken met Ni(OH)2 BNC's/NF.

Elektrochemische prestatie van het ASC-apparaat

Het ASC-apparaat van Ni(OH)2 NCs/NF//AC werd geconstrueerd volgens Fig. 7a. Ni(OH)2 NC's / NF-elektrode en AC werden gescheiden door een cellulosepapier. Zoals geïllustreerd in Fig. 7b, vertoont de CV-curve van de AC-elektrode een bijna rechthoekig kenmerk, wat een typisch EDLC-opslagmechanisme onthult. Bovendien kan de AC-elektrode worden gefietst binnen − 1 tot 0 V en Ni(OH)2 NC's / NF-elektrode kan worden gecycleerd binnen 0 tot 0,6 V, waaruit blijkt dat het ASC-apparaat een bedrijfsspanning van 1,6 V kan veroorloven. De CV-curven weergegeven in figuur 7c tonen een goed gedefinieerde vorm, zelfs bij hoge scansnelheden, wat een uitstekende massa impliceert transportkinetiek en eminente omkeerbaarheid. GCD-curven van het ASC-apparaat bij verschillende stroomdichtheden werden getoond in figuur 7d. De energiedichtheid en vermogensdichtheid van het apparaat werden berekend volgens figuur 7d. Een energiedichtheid van 23,3 Wh Kg −1 wordt bereikt bij een vermogensdichtheid van 800 W Kg −1 . Een energiedichtheid van 9,6 Wh Kg −1 wordt nog steeds verkregen, zelfs bij een hoge vermogensdichtheid van 8000 W Kg −1 . De energiedichtheid is veel groter dan die van Ni(OH)2 BNCs/NF//AC ASC (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S8, 3 Wh Kg −1 bij 880 W Kg −1 ). Verder is de maximale energiedichtheid van de ASC ook groter dan die van Ni(OH)2 -gebaseerde materialen [31, 32]. De fietsstabiliteit werd geschat door GCD-metingen te herhalen bij 4 A g −1 voor 2000 cycli. De uiteindelijke specifieke capaciteit behoudt nog steeds 90,1% van zijn grootste waarde en deze waarde is veel groter dan die van Ni(OH)2 BNCs/NF//AC ASC (aanvullend bestand 1:figuur S9, 60%). Bovendien zijn de laatste tien GCD-curven vergelijkbaar met de eerste tien cycli, wat een uitstekende stabiliteit van het ASC-apparaat vertoont. Zoals getoond in Fig. 7f, Ni(OH)2 NC's behouden nog steeds de uniforme kubische kooi-achtige morfologie na 2000 cycli, wat de uitstekende fietsstabiliteit verder aantoont. Het verlies van de specifieke capaciteit kan worden toegeschreven aan de kleine hoeveelheid actief materiaal die uit NF valt.

een Schema van de Ni(OH)2 NC's/NF//AC-apparaat. b De CV's van AC en Ni(OH)2 NC's/NF-elektroden in een systeem met drie elektroden. c De CV's van Ni(OH)2 NC's/NF//AC ASC tussen 0 en 1,6 V. d GCD-curven van de ASC bij verschillende stroomdichtheden tussen 0 en 1,6 V. e Fietsstabiliteit van de ASC gedurende 2000 cycli bij 4 A g −1 . v De SEM-beelden van de positieve elektrode voor en na het fietsen

Conclusies

Over het algemeen Ni(OH)2 NC's werden met succes geconstrueerd via een CEP-methode en gebruikt als een elektrode voor supercondensatoren. Ni(OH)2 NC's hebben een groot specifiek oppervlak van 54,7 m 2 /g en een geconcentreerde poriegrootteverdeling tussen 2,7 en 6,1 nm. De dunne schil verkort de overdrachtsroute en verbetert de elektronenoverdrachtsnelheid. Als positieve elektrode voor supercondensatoren, Ni(OH)2 NCs/NF geeft een specifieke capaciteit van 539,8 F g −1 weer op 1 A g −1 , die veel groter is dan die van Ni(OH)2 BNC's/NF//AC (87.3 F g −1 op 1 A g −1 ). De specifieke capaciteit behoudt nog steeds ongeveer 96,9% van zijn initiële waarde na 2000 cycli. De ASC van Ni(OH)2 NCs/NF//AC heeft een energiedichtheid van 23,3 Wh Kg −1 bij 800 W Kg −1 , die veel groter is dan die van Ni(OH)2 BNC's (3 Wh Kg −1 bij 880 W Kg −1 ). De resultaten tonen aan dat de ontworpen Ni(OH)2 NC's hebben potentiële toepassingen op het gebied van energieopslag.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

AC:

Actieve kool

ASC:

Asymmetrische supercondensator

BNC's:

Gebroken nanokooien

CEP:

Coördineren van etsen en precipiteren

CV:

Cyclische voltammetrie

EDLC's:

Elektrische dubbellaagse condensatoren

EIS:

Elektrochemische impedantiespectroscopie;

FESEM:

Veldemissie scanning elektronenmicroscoop

GCD:

Galvanostatische lading-ontlading

NC's:

Nanokooien

NF:

Ni-schuim

PC's:

Pseudocondensatoren

PTFE:

Polytetrafluorethyleen

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscoop

XPS:

Röntgenfoto-elektronenspectrometer

XRD:

Röntgendiffractie


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Vooruitgang en uitdagingen van fluorescerende nanomaterialen voor synthese en biomedische toepassingen
    2. Geactiveerde koolstofvezels met hiërarchische nanostructuur afgeleid van afval katoenen handschoenen als hoogwaardige elektroden voor supercondensatoren
    3. Eenvoudige synthese van SiO2@C-nanodeeltjes verankerd op MWNT als hoogwaardige anodematerialen voor Li-ionbatterijen
    4. Geminiaturiseerde rekbare en snelle lineaire supercondensatoren
    5. One-Pot Green-synthese van met Ag versierde SnO2-microsfeer:een efficiënte en herbruikbare katalysator voor reductie van 4-nitrofenol
    6. Synthese en elektrochemische eigenschappen van LiNi0.5Mn1.5O4-kathodematerialen met Cr3+ en F− composietdoping voor lithium-ionbatterijen
    7. Eenvoudige synthese van zilveren nanodraden met verschillende beeldverhoudingen en gebruikt als hoogwaardige flexibele transparante elektroden
    8. Hydrothermische synthese van In2O3 nanodeeltjes hybride tweeling hexagonale schijf ZnO heterostructuren voor verbeterde fotokatalytische activiteiten en stabiliteit
    9. Synthese en in vitro prestaties van met polypyrrool gecoate ijzer-platina nanodeeltjes voor fotothermische therapie en foto-akoestische beeldvorming
    10. Platycodon-saponinen van Platycodi Radix (Platycodon grandiflorum) voor de groene synthese van gouden en zilveren nanodeeltjes
    11. Draaibanken en VMC's gebouwd voor hoogwaardige bewerkingen